高浓度水流流速仪的研制与应用.docx

1、2007年8月泥沙研究JournalofSedimentResearch高浓度水流流速仪的研制与应用舒安平"，任裕民(1-北京师范大学水科学研究院水沙科学教育部重点实验室.北京100875;2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)摘要：作为一种复杂的固液两相流动，高浓度水流由于固体颗检浓度高、颗粒级配宽及流动的可视性差等特点，致使其测流一直成为制约高浓度水流运动机理研究的瓶颈性问题。本文依据毕托管工作原理，通过液压传感方式感应测量高浓度水流动水压力和计算机数据采集处理等方法，成功地研制了新型感压式高浓度水流流速仪，并在室内天然沙与粉煤灰高含度水流试验中得到

2、了应用。该流速仪研制成功为进一步研究高浓度水流流速分布规律、揭示其水流结构与输沙机理创造了有利条件。关健词：高浓度水流；流速仪；流速；含沙量中圈分类号:TV149文献标识码：A文章编号:0468-155X(2007)04-0059-06黄河是一条闻名于世的多沙河流，每年汛期高浓度水流现象频发。为了探索有效的、切合实际的治黄措施，自20世纪50年代以来，我国许多专家学者”围绕黄河高浓度水流运动等基本理论问题展开大量的研究工作，取得一批重要的研究成果。所谓高浓度水流，是指挟带一定粘性细颗粒水流在某种特定的水力与边界条件下形成的一种复杂的高浓度固液两相流动，它具有浓度高、颗粒级配宽和可视性差等不同于

3、一般挟沙水流的基本特点，因而加大了实测高浓度水流流速的难度。可以说目前较为常见的多普勒激光式、光电旋转式等测速仪只是在清水或低含沙水流中得到了成功应用，而对于高浓度水流流速测械，尽管前人进行过一些有益的探索*引，先后研制出超声式、同位素示踪式、冲水毕托管式等流速仪，但由于这些仪器在稳定性能、灵敏度、测量精度、适用范围及操作等方面尚存在着一些问题，不能很好地满足于高浓度水流测流要求，以至于迄今这些仪器在高浓度水流测流中具有较大的局限性(6-7o可见高浓度水流测流问题由来已久，长期制约着高浓度水流运动机理的研究进程，因而已成为河流动力学中紧迫的重要课疝一,受到了泥沙学术界的关注。鉴于此，本文依据水

4、力学毕托管工作原理，通过应用液压传感方式感应测量高浓度水流动水压力及计算机数据采集处理等方法，致力于新型高浓度水流流速仪的研制工作，并将研制的新型流速仪成功应用于室内天然沙与粉煤灰高浓度水流实验中的流速测量，取得115组完整的高浓度水流测流及输沙实测资料，因此，该仪器的研制成功为深入研究商浓度水流结构及输沙机理创造有利条件，而且将对河流动力学学科特别是高含沙水流的研究的发展起到积极的推动作用。1流速仪结构与特性1.1仪器结构新型高浓度水流流速仪主要由引压系统、感压系统和测量放大系统等三大部分组成，其中引压系统采用直接感压方式、由圆管制作而成，具有有效地防止和稳定管路沿程阻力和压力损失的作用；感

5、压系收稿日W：2006-04-17金项目：国家自然科学基金项目(10672024);教育部留学回国启动基金项目(213003)作者简介：舒安平(1965-),91,湖北郭州人,副教授、博士.主要从事河流动力学、水土保持及生态修复研究.E-mailzUiuap图1高浓度水流流速仪Fig.IVelocitymeterusedinhyperconcentratedflow计算机采集归零装置充水感压腔探头弹性梁膨压原压阻片（硅片）迎流面®空气部压般充水管®通气管Fig.2Structuralsketchmapofthevelocitymeter统安装在流速仪测杆感压腔里，由感压芯片

6、、感压与电信号转换元器件等组成，具有阻值对称性好、灵敏度高和温度影响小等优点；测量放大系统采用了高稳定性、低漂移的差动补偿放大电路，并安装归零装置。感压系统是该流速仪的关键，高浓度水流流速仪及其结构分别见图1和图2。1.2工作原理感压芯片将感压腔一分为二，一侧充水并与引压管相连通，另一侧则与通气管相接。当仪器探头受到水流冲击时，水压通过引压管装置传递到感压腔充水一侧，引起感压芯片变形，而导致附在其表面的薄层电阻器（硅片）产生相同应变，将感压芯片的变形转换成电阻效应，使电阻值（或电压值）与压应力成线性正比关系，传感器再将这种变形转换成微弱的电压信号,经补偿、放大最后输出稳定的电压信号，通过计算机

7、数据采集处理，并运用输出电压与探头作用压力的线性关系式，即可求出响应的测点流速。高浓度水流流速仪工作框图见图3。±15V稳压电源±15V稳压电源|计算机数据采丽精密电源|f|流速信号采集|图3流速仪工作框图WorkingchartofthevelocitymeterFig.31.3仪器特性与技术指标（1）灵敏度在080cm的水柱最程内，可反映出0.1mm微小水柱变化，能准确地分辨出0.5mm水柱压差，每10mm水柱压差的电压变幅可达到0.088V。（2）稳定性与测量精确度该仪器的零漂、温漂和迟滞均很小，抗干扰能力强，测量重复性好、稳定性强，见图4。在仪器使用前先接通电源，待

8、仪器预热30分钟后一次性可连续测量达4小时以上，而且电压零漂只有0.010.03V,相当于1.13.3mm水柱压差，仪器中还装有归零装置可消除这种零漂影响。根据仪器性能测试结果，该仪器测量线性误差±2知满量程.长期稳定稳定误差±3务满量程。(3) 技术指标流速范围：0.l5.0m/s压力范围：080cm水柱调零范围：土20cm水柱输出电压范围：0.07.0V自振频率：小于50Hz线性误差：±2务满量程零点温度系数最大误差：±0.5%c满量程(4) 适用范围图4输出电压随压差P变化的波形Fig.4Repeatedwaveshapeofelectricvol

9、tage高浓度水流流速仪适用于天然沙、粉煤灰和塑料沙等各种不同固体颗粒组成的两相高含沙与低含沙水流以及以细颗粒组成为主的伪一相流流速测量。2流速仪的率定公式在挟沙水流中，任意一点的水流总作用水头等于流速水头与位置水头之和，即+法则流速仪探头受到的总外压力为式中：八u分别为测点水深和流速；探头受压面积4=才时2,为探头内径；匕为挟沙水流的容重，乙=/+(/,-y)Sy°根据流速仪的感压工作原理，探头外压力P应与输出电压V成线性关系，即于是，在挟沙水流中探头受到总作用水头还可表示为V=y+=-(aV+b)(4)LgPm由此可得出探头测点流速为u=2gaV+)-y(5)式中：挟沙水流的密度

10、P.=P+(P，P)SV；SV为体积含沙最r系数a=分0=片均通过率定仪器实测加以确定。流速仪率定试脸是在室内长7.0mx宽0.25mX高0.3m的玻璃水槽中进行，水槽底坡为1.2%,采用LSP-1型激光流速仪测最清水流体中固定测点的流速，通过计算清水中流速仪探头作用水头，并建立其与输出电压的线性关系，如图6所示，拟合方程为Y=y+多=11.33V+1.14(6)将式(6)与式(4)比较，得到系数=11.33.-6=1.14,再代入式(5),即可得出高浓度水流流速PP仪率定的流速公式u=j2g质(11.333+1.14)-牝(7)式中：y为流速仪输出电压;p、p-分别为清水和挟沙水流的密度。显

11、而易见，含沙浓度Sy对测点流速U的影响通过挟沙水流的密度P.在率定公式(7)中自动得到了修正，故从理论上讲,高浓度水流流速仪并不受含沙浓度Sv的限制，同时克服了其他类似的高含沙测速仪率定柔曲线随含沙浓度Sr变化而变化这种不便于操作使用E的弊端。在实际运用的过程中，只要给出测点位置，和圮含沙浓度Sy,并通过计算机自动采集电压匕即可换算成测点流速U,或者通过二次仪表直接转化成点流速U,这是该流速仪优于其他挟沙水流流速仪最大的特点。3流速仪的比测流速仪比测实验分别在天然沙和粉煤灰两种水槽图5探头作用水头丫与输出电压V的关系Fig.5Relationbetweentotalwaterheadandel

12、ectricvoltage系统中进行，使用的比测仪器分别是南京水利科学研究院研制的光电式旋桨流速仪和天津水运科研所制作的电磁流速仪，受到这两种比测仪器适用条件的限制，比测仅限于清水和低含沙水流(含沙量Sw20kg/m3)o对于高浓度水流，简单地采用表面浮标法进行比测。表1给出以上三种比测条件，比测结果如图6和图7所示。由此可见，新型高浓度水流流速仪流速测量结果是可靠的。序号表面浮惊(F)光电式旅桨(G)电磁流速仪(E)流*水深/cm含沙量/"mi流信水深/cm含沙量/y<n-3流量水深/cm含沙量3aT，135.1114.71329.6916.2510.040.0025.621

13、0.560.00246.9013.99522.6423.2210.625.5620.4512.093.74324.809.9011.4727.1311.1610.88436.6811.5518.7447.2812.4814.50表1流速仪比测的水沙条件Table1Waterandsedimentconditionsinthecontrastingtests(a)与旋浆流速仪的比测(b)与电磁流速仪的比测新研制流速仪比测流速仪图6垂线流速比测第果Fig.6Verticalvelocitydistributioninthecontrastingtests«润'探sEwn«

14、;密起襁起点距/co起点距/cm新研制流速仪浮标测址图7商浓度水流表面流速比测结果Fig.7Surfacevelocitymeasurementinhyperconcentratedflowtests4流速仪的应用为了检验新研制的流速仪测量的准确性和适用性，首次在70组天然沙和45组粉煤灰高浓度水流应用该流速仪，实验所依据的水沙条件如表2所示。表2流速仪应用实验所依据的水沙条件Table2Waterandsedimentconditionsintwokindsofapplicationtests项目天然沙实验粉煤灰实验水槽尺寸长16mx宽0.5mx高0.6m长25mx宽0.5mx高0.5m试验

15、组次7045流量/d-l9.06-94.8711.48-50.49水深/cm7.00-17.205.50-16.36含沙2.61-765.6!3.10-539.70实验中，将流速仪安装在输沙水槽支架上，实施定点测量:挟沙水流垂线流速分布，并将实测的挟沙水流垂线平均流速乘以系数0.9,近似转化成断面平均流速Un，点绘Un与由流域反算得到的断面平均流速Uc之间关系，如图8所示，可以看出两者基本符合，而且还受到含沙最高达765.61kg/m3的高浓度水流的考验":，表明使用该仪器测最高浓度水流的流速的精度令人满意，因此可以用于高浓度水流流速测缺。5结语图8平均流速实测值U与计算值赤比较Fi

16、g.8Comparisonbetweenthemeasuredandcomputedmeanvelocity本文根据毕托管的工作原理，成功研制出能适用于高浓度水流的一种新型感压式流速仪，比测试验结果表明，该仪器是可靠的；另一方面，115组室内测流应用实验结果表明，该仪器测量:流速精度令人满意，为进一步研究高浓度水流水流结构及输沙机理创造了有利条件。此外，如将该流速仪探头进行加固处理，可望能用于粘性泥石流流速测量。本项研究成果已申报国家发明专利。参考文献：1钱宁主编.高含沙水流运动M.北京：清华大学出版社,1989.2舒安平.高含沙水流挟沙能力及输沙机理的研究D.北京：清华大学,1994.1,5

17、0-76.3 王兴奎.悬移质泥沙运动及其对水流结构的影响D.北京：清华大学，1985.1,25-62.4 樊新赎，李偶棋.测量水槽高浓度水流流速的TSC-1同位素示踪测速仪J.泥沙研究，1983,(3).5王明甫，王丽娟,陈立.应变式水流紊动传感器及紊动流速仪在高浓度水流中的应用J.泥沙研究,1996,(2):30-34.6舒安平，紊流型两相高浓度水流流速分布特点A.第六届全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集(C).郑州：黄河水利出版社,2005.11,210-214.7舒安平，刘青泉，费祥俊.高低含沙水流流速分布的统一规律J.水利学报,2006,(10):1175-1180.Developm

18、entandapplicationofanewvelocitymeterforhyperconcentratedflowsSHUAn-ping12,RENYu-ming2(1-ColUgeofWalerScienca,KeyLab.ofWalerandSedimentSciencesofMinistryofEducation,BtijingNormalVnweniiy,Beijing100875;2.StateKeyLab.ofWaltrandSedimentSciencesandHydropowerEngineering,TtinghuaUniomitjr,Beijing100084)Abstract：Forthecomplicatedflowwithsolidandliquidphase,ithasalwaysbeenverydiEficulttomeasurethevelocityofhyperconcenlratedflowaccurately,becauseofthecharacteristicsofhighconcentration,widegraindiameterdistributionandflow